学术研究报告：4B-1200型平贝母药材收获机的改进设计与试验

一、作者与发表信息
本研究由黑龙江八一农垦大学的宋江（工程学院）、刘丽华（农学院，通信作者）、王密和张佳共同完成，发表于《农业工程学报》（Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering）2017年第33卷第1期，DOI编号10.119758/j.issn.1002-6819.2017.01.006。

二、学术背景
平贝母（Bulbus Fritillariae Ussuriensis）是多年生草本药用植物，其鳞茎具有重要药用价值，主产于中国黑龙江及长白山地区。人工种植已有40余年历史，但收获环节长期依赖人工，效率低且成本高。尽管半机械化收获设备（如振动筛分机、螺旋筛分机）已有应用，但联合收获机（combine harvester）研发滞后，且现有设备存在分土不彻底、转弯灵活性差、动力适配性不足等问题。本研究旨在改进4B-1200型平贝母收获机，通过优化分土机构、振动筛系统及新增提升机构，解决田间作业中的关键技术瓶颈，推动机械化收获技术的应用。

三、研究流程与方法
1. 问题诊断与改进目标
课题组基于前期研制的4B-1200型收获机（配套手扶拖拉机）的田间试验，总结出五大问题：
- 筛下贝土输送螺旋转弯需人工抬起，灵活性差；
- 雨季土壤高含水率导致分土铲表面土壤堆积；
- 分级不彻底（仅分离>8 mm的平贝母，2.6~8 mm未充分分离）；
- 装袋位置过低；
- 动力适配性不足（产区以四轮拖拉机为主）。

1. 关键部件改进设计

   • 分土机构：将原三角形推土铲改为反向螺旋叶片（screw conveyor），螺旋外径190 mm、螺距60 mm、倾角30°，通过变速箱直接驱动，避免链传动磨损问题。理论计算表明，螺旋转速需≥191 r/min（降速比27:100）。
     
   • 提升机构：采用大倾角皮带输送（倾角45°），设计参数包括主动辊直径110 mm、横隔板高20 mm、间距150 mm，转速100 r/min（降速比5:36），解决装袋高度问题。
     
   • 双层振动筛：
     
     • 上层筛孔6 mm×40 mm，下层筛孔2.6 mm×40 mm，筛面长度分别为1.2 m和1.6 m，倾角3°~9°；
       
     • 通过曲柄连杆机构驱动，振幅20~36 mm，转速范围240~535 r/min，确保混合物滑移且不跳离筛面。
       

2. 田间试验设计

   • 试验条件：2016年6月于黑龙江伊春市红星林业局进行，土壤含水率18%，垄宽1.2 m（占70%），配套甬野324型拖拉机（23.5 kW）。
     
   • 性能指标：对比改进前后损失率（loss rate）、损伤率（damage rate）、分净率（screening rate），采用正交试验分析振动筛参数（转速、倾角、长度）对分净率的影响。
     

3. 数据分析方法

   • 损失率（T1）=未挖掘平贝母质量/总质量；
     
   • 损伤率（T2）=损伤平贝母质量/总质量；
     
   • 分净率（T3）=未透筛平贝母质量/（透筛+未透筛质量）。
     

四、主要研究结果
1. 改进机型性能提升
- 损失率与损伤率分别为3.8%和2.9%，较改进前降低1.1和1.2个百分点；
- 分土机构有效解决土壤堆积问题，提升机构使装袋高度提高至合理位置。

1. 振动筛参数优化
   正交试验表明，影响分净率的主次因素为：曲柄转速（A）>筛面长度（C）>倾角（B）。最优组合为转速550 r/min、倾角3°、长度1.6 m，分净率达95%，满足行业标准。

2. 局限性

   • 高速作业时振动筛曲柄强度不足，需通过双曲柄结构加固；
     
   • 上层筛易脱离框架，需加强连接设计。
     

五、结论与价值
1. 科学价值
- 提出反向螺旋分土机构与大倾角提升机构的协同设计理论，为根茎类药材收获机械提供技术参考；
- 建立振动筛参数与分净率的量化关系模型。

1. 应用价值
   
   • 改进后的4B-1200A型收获机可一次性完成刮土、挖掘、分级、装袋作业，适应四轮拖拉机动力，推广潜力显著；
     
   • 分净率与作业效率达到商业化生产要求，助力产区降本增效。
     

六、研究亮点
1. 创新设计：首次在平贝母收获机中集成反向螺旋分土与双层振动筛，解决分级不彻底问题；
2. 方法学贡献：通过力学模型（如螺旋转速临界值计算）与正交试验结合，优化关键参数；
3. 实用性验证：田间试验数据支撑设备可靠性，损伤率低于3%的行业阈值。

七、其他发现
研究提及平贝母混合物的休止角（angle of repose）为30°，为输送带倾角设计提供了理论依据，这一参数可扩展至其他根茎类作物收获机械的开发中。